【摘 要】
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MEMS压阻式压力传感器具有体积小、线性度高等特点在航空航天、汽车电子等领域具有广阔应用。随着航空航天等领域对高灵敏度、低非线性度MEMS压阻式压力传感器的需求增大,研制高性能的新型压力传感器十分必要,因此本文提出了一种新型的压力膜结构来实现MEMS压力传感器的高灵敏度与低非线性度。本文以MEMS压力膜为研究对象,以小挠度变形保证新型MEMS压力膜的线性度,采用惠斯通电桥为检测方法。论文的研究过程
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MEMS压阻式压力传感器具有体积小、线性度高等特点在航空航天、汽车电子等领域具有广阔应用。随着航空航天等领域对高灵敏度、低非线性度MEMS压阻式压力传感器的需求增大,研制高性能的新型压力传感器十分必要,因此本文提出了一种新型的压力膜结构来实现MEMS压力传感器的高灵敏度与低非线性度。本文以MEMS压力膜为研究对象,以小挠度变形保证新型MEMS压力膜的线性度,采用惠斯通电桥为检测方法。论文的研究过程如下:首先对课题的研究现状进行调研。通过对MEMS压阻式压力传感器国内外的研究现状进行分析,总结已有的MEMS压阻压力传感器的压力膜结构及其结构特点,并介绍了传感器基于压阻效应的工作原理以及与压力膜结构设计的相关理论;其次进行新型压力膜的结构设计。通过在压力膜上设计出短窄梁结构来形成高应力集中区域以及将方形压力膜改为椭圆弧瓣状压力膜的方法来提高传感器的灵敏度,通过在压力膜的受压表面上边缘处设计出方岛结构以及在压力膜背面设计十字架梁结构来降低传感器的非线性度。并对新型压力膜在满量程压力下的力学性能进行初步的仿真分析,研究了新型压力膜上各部分结构对薄膜力学性能的影响;紧接着对新型压力膜结构的尺寸进行优化。建立了新型压力膜结构的各几何尺寸变量与其机械力学性能之间近似的数学关系式,在此基础上构建新型压力膜的优化模型,依据约束条件对新型压力膜结构进行尺寸优化;最后对新型压力膜结构的性能进行仿真分析。通过对新型压力膜的性能进行仿真计算出相应传感器的输出电压、灵敏度以及非线性度。并分析了新型压力膜结构的膜宽、膜厚对输出电压、灵敏度的影响。本文的主要工作在于设计出一种新型MEMS压力膜结构。通过与其它膜结构对比表明,本文提出的新型MEMS膜结构具有最大的薄膜应力来实现高灵敏度与较低的薄膜最大变形来保证高线性度。
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